java8-CompleableFuture的使用1

背景

1. 硬件的极速发展，多核心CPU司空见惯；分布式的软件架构司空见惯；
2. 功能API大多采用混聚的方式把基础服务的内容链接在一起，方便用户生活。

抛出了两个问题：

1. 如何发挥多核能力；
2. 切分大型任务，让每个子任务并行运行；

并发和并行的区别

项目	区别1	实现技术
并行	每个任务跑在单独的cpu核心上	分支合并框架，并行流
并发	不同任务共享cpu核心，基于时间片调度	CompletableFuture

Future接口

java5开始引入。将来某个时刻发生的事情进行建模。

进行一个异步计算，返回一个执行运算的结果引用，当运算结束后，这个引用可以返回给调用方。

可以使用Future把哪些潜在耗时的任务放到异步线程中，让主线程继续执行其他有价值的工作，不在白白等待。

下面是一个例子：使用Future，可以让两个任务并发的运行，然后汇聚结果；

package com.test.completable;

import com.google.common.base.Stopwatch;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

/**
 * 说明：Future应用实例
 * @author carter
 * 创建时间： 2019年11月18日 10:53
 **/

public class FutureTest {

    static final ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(2);

    public static void main(String[] args) {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();

        Future<Long> longFuture = pool.submit(() -> doSomethingLongTime());

        doSomething2();
        try {
            final Long longValue = longFuture.get(3, TimeUnit.SECONDS);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " future return value :" + longValue + " : " + stopwatch.stop());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (TimeoutException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        pool.shutdown();
    }

    private static void doSomething2() {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " doSomething2 :" + stopwatch.stop());
    }

    private static Long doSomethingLongTime() {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " doSomethingLongTime : " + stopwatch.stop());
        return 1000L;
    }

}

没法编写简介的并发代码。描叙能力不够；比如如下场景：

1. 将两个异步计算的结果合并为一个，这两个异步计算之间互相独立，但是第二个有依赖第一个结果。
2. 等待Future中所有的任务都完成；
3. 仅等待Future集合中最快结束的任务完成，并返回它的结果；
4. 通过编程的方式完成一个Future任务的执行；
5. 响应Future的完成事件。

基于这个缺陷，java8中引入了CompletableFuture 类；

实现异步API

技能点：

1. 提供异步API;
2. 修改同步的API为异步的API,如何使用流水线把两个任务合并为一个异步计算操作；
3. 响应式的方式处理异步操作的完成事件；

类型	区别	是否堵塞
同步API	调用方在被调用运行的过程中等待，被调用方运行结束后返回，调用方取得返回值后继续运行	堵塞
异步API	调用方和被调用方是异步的，调用方不用等待被调用方返回结果	非堵塞

package com.test.completable;

import com.google.common.base.Stopwatch;
import com.google.common.base.Ticker;

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 说明：异步调用计算价格的方法
 * @author carter
 * 创建时间： 2019年11月18日 13:32
 **/

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Shop shop = new Shop("BestShop");

        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        Stopwatch stopwatch2 = Stopwatch.createStarted();

        Future<Double> doubleFuture = shop.getPriceFuture("pizza");

        System.out.println("getPriceFuture return after: " + stopwatch.stop());

        doSomethingElse();
        try{
            final Double price = doubleFuture.get();
            System.out.println("price is " + price + " return after: " + stopwatch2.stop());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void doSomethingElse() {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        DelayUtil.delay();
        System.out.println("doSomethingElse " + stopwatch.stop());

    }

}

错误处理

如果计算价格的方法产生了错误，提示错误的异常会被现在在试图计算商品价格的当前线程的范围内，最终计算的异步线程会被杀死，这会导致get方法返回结果的客户端永久的被等待。

如何避免异常被掩盖， completeExceptionally会把CompletableFuture内发生的问题抛出去。

    private static void test2() {
        Shop shop = new Shop("BestShop");

        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        Stopwatch stopwatch2 = Stopwatch.createStarted();

        Future<Double> doubleFuture = shop.getPriceFutureException("pizza");

        System.out.println("getPriceFuture return after: " + stopwatch.stop());

        doSomethingElse();
        try{
            final Double price = doubleFuture.get();
            System.out.println("price is " + price + " return after: " + stopwatch2.stop());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

方法改造：

//异步方式查询产品价格,异常抛出去
    public Future<Double> getPriceFutureException(String product){

        final CompletableFuture<Double> doubleCompletableFuture = new CompletableFuture<>();

        new Thread(()->{try {
            doubleCompletableFuture.complete(alculatePriceException(product));
        }catch (Exception ex){
            doubleCompletableFuture.completeExceptionally(ex);
        }
        }).start();

        return doubleCompletableFuture;
    }

无堵塞

即让多个线程去异步并行或者并发的执行任务，计算完之后汇聚结果；

    private static void test3(String productName) {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .map(item -> String.format("商店:%s的商品：%s 售价是：%s", item.getName(), productName, item.getPrice(productName)))
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test3 done in  " + stopwatch.stop());

    }

    private static void test3_parallelStream(String productName) {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .parallel()
                .map(item -> String.format("商店:%s的商品：%s 售价是：%s", item.getName(), productName, item.getPrice(productName)))
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test3_parallelStream done in  " + stopwatch.stop());

    }

    private static void test3_completableFuture(String productName) {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .map(item ->CompletableFuture.supplyAsync(()-> String.format("商店:%s的商品：%s 售价是：%s", item.getName(), productName, item.getPrice(productName))))
                .collect(Collectors.toList())
                .stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test3_completableFuture done in  " + stopwatch.stop());

    }

    private static void test3_completableFuture_pool(String productName) {
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .map(item ->CompletableFuture.supplyAsync(()-> String.format("商店:%s的商品：%s 售价是：%s", item.getName(), productName, item.getPrice(productName)),pool))
                .collect(Collectors.toList())
                .stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test3_completableFuture done in  " + stopwatch.stop());

    }

代码中有一个简单的计算场景，我想查询4家商店的iphone11售价；

华强北，益田苹果店，香港九龙城，京东商城；

每一家的查询大概耗时1s;

任务处理方式	耗时	优缺点说明
顺序执行	4秒多	简单，好理解
并行流	1秒多	无法定制流内置的线程池，使用简单，改造简单
CompletableFuture 默认线程池	2秒多	默认线程池
CompletableFuture 指定线程池	1秒多	指定了线程池，可定制性更好，相比于并行流

多个异步任务的流水线操作

场景： 先计算价格，在拿到折扣，最后计算折扣价格；

    private static void test4(String productName) {

        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .map(shop->shop.getPrice_discount(productName))
                .map(Quote::parse)
                .map(DisCount::applyDiscount)
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test4 done in  " + stopwatch.stop());

    }

    private static void test4_completableFuture(String productName) {

        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        final List<String> stringList = Stream.of(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"))
                .map(shop->CompletableFuture.supplyAsync(()->shop.getPrice_discount(productName),pool))
                .map(future->future.thenApply( Quote::parse))
                .map(future->future.thenCompose(quote -> CompletableFuture.supplyAsync(()->DisCount.applyDiscount(quote),pool)))
                .collect(Collectors.toList())
                .stream()
                .map(CompletableFuture::join)
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(stringList);
        System.out.println("test4_completableFuture done in  " + stopwatch.stop());

    }

以上是有依赖关系的两个任务的聚合，即任务2，依赖任务1的结果。使用的是thenCompose方法；

接下来如果有两个任务可以异步执行，最后需要依赖着两个任务的结果计算得到最终结果，采用的是thenCombine;

//两个不同的任务，最后需要汇聚结果，采用combine
    private static void test5(String productName) {

        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();

        Shop shop = new Shop("香港九龙");

      Double pricefinal =  CompletableFuture.supplyAsync(()->shop.getPrice(productName))
                .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(shop::getRate),(price, rate)->price * rate).join();

        System.out.println("test4 done in  " + stopwatch.stop());

    }

completion事件

让任务尽快结束，无需等待；

有多个服务来源，你请求多个，谁先返回，就先响应；

结果依次返回：

 //等待所有的任务执行完毕； CompletableFuture.allOf()
    public void findPriceStream(String productName){
        List<Shop> shops = Arrays.asList(new Shop("华强北"), new Shop("益田假日广场"), new Shop("香港九龙城"), new Shop("京东商城"));
        final CompletableFuture[] completableFutureArray = shops.stream()
                .map(shop -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> shop.getPrice_discount(productName), pool))
                .map(future -> future.thenApply(Quote::parse))
                .map(future -> future.thenCompose(quote -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> DisCount.applyDiscount(quote), pool)))
                .map(f -> f.thenAccept(System.out::println))
                .toArray(size -> new CompletableFuture[size]);

        CompletableFuture.allOf(completableFutureArray).join();

    }

多个来源获取最快的结果：

//有两个获取天气的途径，哪个快最后结果就取哪一个
    public static void getWeather(){
        final Object join = CompletableFuture.anyOf(CompletableFuture.supplyAsync(() -> a_weather()), CompletableFuture.supplyAsync(() -> b_weather())).join();

        System.out.println(join);
    }

    private static String b_weather() {
        DelayUtil.delay(3);
        return "bWeather";
    }

    private static String a_weather() {
        DelayUtil.delay(5);
        return "aWeather";
    }

源码分析

可完备化的将来；CompletableFuture ;

先看签名：

public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {}

实现了Futrue,CompletionStage接口；

这两个接口简单说明一下：

接口	关键特性
Future	直接翻译为未来,标识把一个任务异步执行，需要的的时候，通过get方法获取，也可以取消cancel，此外还提供了状态查询方法，isDone, isCancled,实现类是FutureTask
CompletionStage	直接翻译是完成的阶段,提供了函数式编程方法

可以分为如下几类方法

方法	说明
thenApply(Function f)	当前阶段正常完成之后，返回一个新的阶段，新的阶段把当前阶段的结果作为参数输入;
thenConsume(Consumer c),	当前阶段完成之后，结果作为参数输入，直接消费掉，得到不返回结果的完成阶段；
thenRun(Runnable action),	不接受参数，只是继续执行任务，得到一个新的完成阶段；
thenCombine(otherCompletionStage，BiFunction),	当两个完成阶段都完成的时候，执行BIFunction,返回一个新的阶段；
thenAcceptBoth(OtherCompletionStage, BiConsumer)	两个完成阶段都完成之后，对两个结果进行消费；
runAfterBoth(OtherCompletionStage,Runable)	两个完成阶段都完成之后，执行一个动作；
applyToEither(OtherCompletionStage,Function)	两个完成阶段的任何一个执行结束，进入函数操作，并返回一个新的阶段
acceptEither(OtherCompletionStage,Consumer)	两个完成阶段的任何一个执行结束，消费掉，返回一个空返回值的完成阶段
runAfterEither（OtherCompletionStage,Runable）	两个完成阶段的任何一个结束，执行一个动作，返回一个空返回值的完成阶段
thenCompose（Function）	当前阶段完成，返回值作为参数，进行函数运算，然后结果作为一个新的完成阶段
exceptionally（Function）	无论当前阶段是否正常完成，消费掉异常，然后返回值作为一个新的完成阶段
whenComplete
handle	无论当前完成阶段是否正常结束，都执行一个BIFunction的函数，并返回一个新结果作为一个新的完成阶段
toCompletableFuture	转换为ComplatableFuture

里面的实现细节后面单独成文章再讲。

小结

1. 执行一些比较耗时的操作，尤其是依赖一个或者多个远程服务的操作，可以使用异步任务改善程序的性能，加快程序的响应速度；
2. 使用CompletableFuture你可以轻松的实现异步API;
3. CompletableFuture提供了异常管理机制，让主线程有机会接管子任务抛出的异常；
4. 把同步API封装到CompletableFuture中，可以异步得到它的结果；
5. 如果异步任务之间互相独立，而他们之间的某一些结果是另外一些的输入，可以把这些任务进行compose;
6. 可以为CompletableFuture中的任务注册一个回调函数，当任务执行完毕之后再进行一些其它操作；
7. 你可以决定什么时候结束程序的运行，是所有的CompletableFuture任务所有对象执行完毕，或者只要其中任何一个完成即可。

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